橡胶密封圈失效分析方法探讨

2015-11-28王占彬范金娟肖淑华刘小辰

失效分析与预防 2015年5期

王占彬，范金娟，肖淑华，刘小辰

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095;3.中航工业失效分析中心，北京 100095)

0 引言

橡胶因具有优异的弹性性能和抗压变性能，可有效地阻止压力介质的泄漏，因此被广泛应用于密封领域。与此同时，因橡胶密封件失效引起的故障也在不断增加，比例占到橡胶制品故障的30%［1-3］。另外，橡胶密封也都是极其关键的技术，往往是一个不起眼的密封元件的失效，可以造成价值数百万元甚至数亿元的损失，有时还可能造成不可挽回的环境污染和人员伤害，一个重要例证就是1986年挑战者号航天飞机因固体火箭助推器密封结构存在设计缺陷，导致密封失效燃气外泄，造成价值几十亿美元的航天飞机空中解体、机组人员丧生的空前悲剧。

橡胶密封圈在模具中硫化成型后，用于安装在各种机械设备上，在规定的温度压力以及不同的液体和气体中，于静止或运动状态下起密封作用。其在成型工艺、形状、装配、功能上具有一定的一致性，这也使得很多橡胶密封圈在失效形式和原因上具有相似性，程序上很多时候遵循相同原则性，在分析思路和方法上也形成一定的规律性。目前报道的密封圈的失效分析多针对单个失效件的原因分析，对失效共性的总结与研究相对较少［4-5］，特别是程序与方法更是鲜有报道。因此，本研究在总结和归纳橡胶密封圈的失效类型和失效原因的基础上，进一步提出了密封圈的失效分析程序、思路和方法，对改进密封圈的设计与生产工艺，规范其使用方法和环境，找出可行的预防措施或改进措施，减少橡胶密封失效而导致的故障，充分发挥橡胶密封特性和优势具有重要意义。

1 橡胶密封圈密封原理

橡胶密封是依靠自身的弹性、并存在原始装配过盈量或预加载荷来实现的。其原理是:当密封圈装入密封安装槽后，受到一种初始挤压或压缩作用，这种挤压或压缩作用提供了初始密封压力P1。而在工作过程中密封圈与介质接触表面会受到来自流体压力P0，从而使得密封面的接触压力增加到P2，此时密封面的接触压力P2就会大于流体压力P0，就起到阻挡介质流动的作用，进而起到密封作用。

2 橡胶密封圈常见的失效模式

2.1 密封圈常见的失效形式

密封圈常见的失效形式主要有6 种:1)密封圈自身完好而密封系统发生泄漏;2)开裂、断裂;3)扭曲、异常变形、磨损;4)鼓泡、掉块、耍圈;5)软化、硬化、龟裂、出油、出沫;6)收缩、溶胀。

2.2 失效性质

从断裂或开裂的失效性质上，橡胶密封圈与塑料、复合材料等非金属材料性质相同，分为过载与疲劳开/断裂。

1)过载。密封圈发生过载断裂时，断口通常为韧性断口，整体上较为粗糙，可见一定韧窝状特征或放射状棱线等撕裂特征，典型的形貌见图1。

图1 密封圈的拉伸断口形貌Fig.1 Tension fracture morphology of rubber seal ring

2)疲劳。密封圈发生疲劳断裂时，断口源区通常较为平滑，扩展区可见一定的疲劳弧线或疲劳条带(对于密封圈而言最常见的为疲劳弧线，条带较为少见)，而快速扩展区或扩展后期则相对粗糙，断面起伏通常也较源区大，典型的形貌见图2。

图2 密封圈的疲劳断口形貌Fig.2 Fatigue fracture morphology of rubber seal ring

其他性质还有老化、外物损伤、腐蚀等，其中老化是必然的，也是最为常见的。

3)老化。通常情况下，橡胶密封圈发生老化时的表现形式主要有:表面逐渐变色、喷霜、发粘变软、龟裂或微裂纹、发脆变硬，同时橡胶的物理机械性能下降，强度、伸长率等大幅下降，透气率增大。但不同种类橡胶的老化现象不同［10-13］，对应的形式见表1，典型形貌见图3。

表1 橡胶老化的表现形式Table 1 Formation of rubber aged

图3 密封圈老化形貌Fig.3 Apperance of aged rubber seal ring

4)外物损伤。密封圈的外物损伤通常表现为锐物划伤、摩擦磨损、拉拔挤压等，典型形貌见图4。

5)腐蚀。对橡胶密封圈而言，腐蚀绝大多数体现在与密封介质的不适应或不匹配性上，具体表现为溶胀、物质交换或体积收缩等。

3 橡胶密封圈常见的失效原因

引起橡胶件失效的因素分布在生产、储存、运输和使用的各个环节当中，原因包括选用材料不合理、工艺控制不当、外物损伤、装配使用变形、环境应力等几方面。

图4 外物损伤形貌Fig.4 Damage morphology

3.1 材料

密封圈在选择材料时，对实际工况考虑不够全面或存在偏差，忽略了某种受力、温度、介质等对橡胶的影响，导致密封形式不适当。1)与使用环境温度不符，材料与介质发生物质交换收缩或溶胀、化学损伤等从而导致密封件挤入间隙或变形过大、快速老化，进而提前失效;2)材料误用或错用，主要为的材料名称、批号等标记不清，胶料储存过期、混入沙土、棉纱等杂物;3)材料的强度、伸长率或硬度等选择不合适，使得胶圈在使用过程中变形过大或过小。

密封圈在选材时，根据使用环境不同，选用的密封材料不同。一般在耐油时采用丁腈橡胶，耐候和臭氧通常选用氯丁橡胶，高温时常选用硅橡胶或氟橡胶，耐压或耐磨时用聚氨酯橡胶，耐寒同时耐油用共聚氯酯橡胶，耐酸碱用聚四氟乙烯等［6］。

3.2 设计

密封圈的设计方面考虑不周。1)密封圈、安装槽、活塞杆等的尺寸、公差设计不正确，使得密封圈压缩率过大或过小，密封圈发热损坏、滚动爬行、挤入间隙、咬伤;2)接触压力或流体流速过大、缺少合理的冷却系统或散热系统等问题，导致胶圈老化、变硬变脆;3)管接头与压力、使用条件不符，因振动高压造成密封圈泄露。

根据经验与相关文献［7-9］报道:对液压油密封系统密封圈设计时，通常遵循以下原则:静密封时，密封圈的拉伸量为1.03～1.04 mm、压缩率为15%～25%，槽壁粗糙度Ra 通常为6.3～3.2 μm;往复动密封时，密封圈的拉伸量在1.02 mm左右、压缩率在12%～17%范围内，Ra 通常要求在1.6 μm 以下;旋转动密封时，密封圈的拉伸量在0.95～1.00 mm、压缩率在5%～10%范围内，Ra 为0.4 μm 或抛光。密封沟槽的尺寸参数取决于密封圈的尺寸，一般O 形密封圈的截面面积应在沟槽截面面积的85%以上，密封槽宽度应大于密封圈压缩变形后的最大尺寸，大多为密封圈截面直径的1.1～1.5 倍。沟槽的深度则主要取决于密封圈的压缩率，通常要小于自由状态下密封圈的截面直径。

3.3 工艺

生产过程中管理或操控不当。1)胶料欠硫或过硫、添加成分混炼不均或颗粒较大，使得胶圈力学性能、硬度等无法满足使用要求，或者批次间存在明显差异;2)成型的几何尺寸和精度不符合要求;3)存在气孔、夹杂等缺陷;4)存在飞边、毛刺，分模面未打磨到位或在打磨过程中损伤;5)零件密封沟槽的加工质量、几何精度、表面粗糙度等加工不合格，造成密封圈磨损剧烈。

为合理的控制工艺或管理不当，建议在出厂前或装配前，检查密封圈表面质量，重点检查是否存在明显的气孔、毛刺、裂痕、切边、飞边等缺陷;条件允许时，还应检查密封圈的尺寸以及密封沟槽的加工质量，粗糙度等是否满足相关要求。

3.4 装配

安装过程中产生损伤。1)强行将密封圈压入安装槽，造成橡胶圈局部异常变形、扭曲、偏心;2)密封面在安装时被零件锐边处的毛刺划伤;3)装配的工装设计不合理，使得胶圈安装不到位或产生偏斜，或是胶圈遭受过大的拉伸引起塑性变形;4)胶圈或安装槽装配时带入沙粒或金属碎屑，造成密封圈磨损。

为防止装配损伤，装配前建议对密封沟槽、密封耦合面进行清洗，并对密封圈装配中的触及面涂润滑剂。装配后检查密封圈是否扭曲、划伤或偏心。

3.5 储存运输

未按密封件产品的说明进行储存或运输，造成材料性能劣化。1)在存放或运输过程中遭受阳光紫外照射、受热、受潮;2)储存或运输过程与有害溶剂、油液、酸、碱等接触;3)遭受外物划伤、挤压、磨损;4)悬挂、挤压放置造成密封圈加速老化或尺寸变化。

3.6 使用

操作不当或过度使用，接头螺杆等松动、振动或倾斜等造成密封圈损伤;或使用环境(温度、应力等)较预期更为恶劣，使得胶圈性能退化速率加快，提前老化。

3.7 其他

工作环境或密封的油液存在污染，造成胶圈溶胀或腐蚀;或混入固体颗粒，造成密封件研磨磨损等。

4 橡胶密封圈失效分析程序

橡胶密封失效可能原因的往往有很多，与其相关的影响因素也更为繁杂，因此只有确立合理的分析逻辑顺序，才能获得更多、更准确有效的信息。对于失效分析而言，材料种类的不同时往往形态、特性之间差异非常大。如金属、复合材料、塑料等通常具有特定对应的分析程序［14］。对于密封圈失效而言，根据以往失效分析工作经验，建议采用以下程序:

1)收集整理历史背景和信息。尽可能全面的收集密封圈的背景信息，包括:材料、工艺、设计、载荷、尺寸、介质、温度、压力、振动、贮存与服役历史等方面;另外还要了解收集与密封圈接触的安装槽、密封件、密封介质等的有关信息。

2)外观检查。检查装配系统泄露情况、密封组件与装配前的变化情况，包括:安装槽及密封件表面是否磨损、是否存在颜色变化、是否存在明显颗粒物;密封介质的颜色与污染情况;观察密封圈的外观是否存在异常变形或机械损伤、是否存在颜色变化。

3)痕迹检查。收集密封圈及安装组件表面痕迹，包括是否存在变形痕迹、撞击、摩擦痕迹、腐蚀痕迹、灼烧痕迹、污染痕迹、分离物痕迹、机械加工痕迹等;

4)尺寸检查。检查密封组件密封圈尺寸(厚度、内外直径等)、安装槽活塞杆等组件的尺寸是满足要求、计算验证压缩量、密封间隙是否合适。

5)裂纹、断口。裂纹与断口的主要形貌特征，包括:断口的平直情况、颜色情况、变形情况、源区、性质，断口与周围损伤、缺陷、微裂纹之间的关系，断口与成型方向(轧制方向、分模面方向)、断口与主正应力方向的关系。若为多处断裂或残骸，应对断裂/残骸进行拼接，给出裂纹扩展方向，找出裂纹源或缺陷存在部位。

6)性能测试。对胶圈的进行必要的力学性能、热学性能、硬度、耐介质性能，介质的粘度、酸碱度、颗粒度等方面的测试检验，确定是否符合技术要求。

7)成分分析。对胶圈成分分析，检查胶料的结构成分是否存在异常、是否存在老化、吸油、变质等变化。

8)综合评定分析结果。综合分析比较，从现象到本质，确定失效性质、串联印证解释失效过程。对疑点进行模拟试验或验证试验。

5 橡胶密封圈失效通常的诊断思路

对于密封圈失效，首先判断密封圈是否完好。若外观完好，则需要检查密封圈与沟槽尺寸是否合适、密封组件是否安装到位、检查密封圈硬度和伸长率是否适当。若密封圈发生扭曲、挤压变形时，通常重点对装配过程、沟槽倒角、配合面角度、密封圈压缩率等进行检查。表面存在磨痕、划伤、掉块时通常重点关注胶圈表面处理过程、沟槽等的粗糙度、是否有金属磨损碎屑、油液或系统内是否有异物进入。密封圈表面龟裂、碳化、颜色变化时，应关注环境温度是否正常。密封圈发生溶胀、鼓泡、收缩等现象时，应关注密封介质是否异常以及密封圈的耐介质性能。密封圈表面存在较多微裂纹时，应综合材质、硬度、性能等判定材料是否已经老化。当密封圈发生开裂或断裂时，通常首先寻找开裂/断裂的起源位置，通过断口形貌判定断裂性质，重点关注源区及附近区域是否存在缺陷或损伤，进而结合密封圈的受力情况、环境、材质性能等综合分析、相互印证，进而寻找失效原因。

6 结束语

本研究在密封圈失效分析与案例总结归纳的基础上，给出橡胶密封圈常见的失效形式和原因，列举了密封圈典型损伤特征及断裂失效断口的形貌特点，探讨了橡胶密封圈常用的失效分析方法和思路，为密封圈故障分析提供参考。但在实际工况条件下，很多橡胶密封圈失效往往不是单一原因所致，常常是多种应力环境因素综合作用的结果。特别是裂纹和断裂失效，断口的形貌特征与形成原因往往非常复杂，应针对密封圈的具体使用情况进行综合分析，从而找出确切原因，提出可行的预防措施或改进措施，才能有效的减少橡胶密封圈故障的发生。

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